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Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor, insbesondere einen Laserscanner, und ein Verfahren zur Erfassung von Objekten in einer Überwachungsebene nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 12.
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Laserscanner werden in vielen Anwendungen zur Objekterfassung eingesetzt. Ein von einem Laser erzeugter Lichtstrahl überstreicht mit Hilfe einer Ablenkeinheit periodisch einen Überwachungsbereich. Das Licht wird an Objekten in dem Überwachungsbereich remittiert und in dem Scanner ausgewertet. Aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit wird auf die Winkellage des Objektes und aus der Lichtlaufzeit unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit zusätzlich auf die Entfernung des Objektes von dem Laserscanner geschlossen. Mit den Winkel- und Entfernungsangaben ist der Ort eines Objektes in dem Überwachungsbereich in zweidimensionalen. Polarkoordinaten erfasst.
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Laserscanner werden in der Sicherheitstechnik zur Überwachung einer Gefahrenquelle eingesetzt, wie beispielsweise im industriellen Umfeld eine gefährliche Maschine oder ein fahrerloses Transportsystem. Ein derartiger Sicherheitslaserscanner ist aus der
DE 43 40 756 A1 bekannt. Dabei wird ein Schutzfeld überwacht, das während des Betriebs der Maschine vom Bedienpersonal nicht betreten werden darf. Erkennt der Laserscanner einen unzulässigen Schutzfeldeingriff, etwa ein Bein einer Bedienperson, so löst er einen Nothalt der Maschine aus. Andere Eingriffe in das Schutzfeld, beispielsweise durch statische Maschinenteile, können vorab als zulässig eingelernt werden. Oft sind den Schutzfeldern Warnfelder vorgelagert, wo Eingriffe zunächst nur zu einer Warnung führen, um den Schutzfeldeingriff und damit die Absicherung noch rechtzeitig zu verhindern und so die Verfügbarkeit der Anlage zu erhöhen.
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In der Sicherheitstechnik eingesetzte Sensoren müssen besonders zuverlässig arbeiten und deshalb hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, beispielsweise die Norm EN 13849 für Maschinensicherheit und die Gerätenorm IEC 61496-3 für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS). Zur Erfüllung dieser Sicherheitsnormen sind eine Reihe von Maßnahmen zu treffen, wie beispielsweise sichere elektronische Auswertung durch redundante, diversitäre Elektronik, Funktionsüberwachung oder speziell Überwachung der Verschmutzung optischer Bauteile, insbesondere einer Frontscheibe, und/oder Vorsehen von einzelnen Testzielen mit definierten Reflexionsgraden, die unter den entsprechenden Scanwinkeln erkannt werden müssen.
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Ein wichtiger Aspekt bei der Weiterentwicklung von Sicherheitslaserscannern ist die Miniaturisierung. Kleinere Baugrößen ziehen aber auch eine Verkleinerung der optischen Empfängerapertur nach sich, also etwa des Durchmessers einer Empfängerlinse. Um dennoch insgesamt die Detektionsempfindlichkeit zu erhalten, muss sendeseitig mehr Energie zur Verfügung gestellt werden.
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Es sind verschiedene grundsätzliche Prinzipien bekannt, die Lichtlaufzeit zu bestimmen. Bei phasenbasierten Verfahren wird das Sendelicht moduliert und die Phasenverschiebung des empfangenen gegenüber dem gesendeten Licht ausgewertet. Bei pulsbasierten Verfahren, die für Sicherheitslaserscanner bevorzugt verwendet werden, misst der Laserscanner die Laufzeit, bis ein ausgesandter Lichtpuls wieder empfangen wird. Anstelle eines Einzelpulses kann bei in einem Pulsmittelungsverfahren auch eine Serie von Sendepulsen ausgesandt und statistisch ausgewertet werden.
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Um sendeseitig mehr Energie verfügbar zu machen, kann somit die Peakleistung des Einzelpulses oder die Rate erhöht werden, mit der in einem Pulsmittelungsverfahren die Serie von Sendepulsen erzeugt wird. Beides erhöht die Laserexposition. Ein Sicherheitslaserscanner muss aber nach der IEC 61496-3 die Grenzwerte der Laserklasse 1 M einhalten.
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Die noch unveröffentlichte
europäische Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10160720.8 verwendet mindestens vier ringförmig um den Lichtempfänger angeordnete VCSEL-Laserdioden als Lichtsender. Damit wird eine deutlich höhere optische Ausgangsleistung erzielt, die aber auf mehrere räumlich getrennte Einzelsender verteilt ist. So wird das Auge immer nur von einem Einzelstrahl getroffen, und es ist sichergestellt, dass nicht die gesamte Sendeleistung in das Auge eindringt.
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Kantenemitterdioden emittieren bei ähnlicher Laseransteuerung eine mehrfach höhere Laserleistung als VCSELs. Eine Ringanordnung von vier unabhängigen Lasersendern aus Kantenemittern wäre aber für den Aufbau gemäß der oben genannten europäischen Anmeldung nicht mehr wirtschaftlich. Von der optischen Ausgangsleistung her wäre ein einzelner Kantenemitter bereits ausreichend. Die hohe Lasereinwirkung auf das Auge verhindert aber, dass die Laserklasse 1 M eingehalten wird.
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Neben der Laserschutzklasse ist bei Verwendung mehrerer Teilstrahlen auch die sogenannte Spotrotation zu beachten. Spotrotation macht sich immer dann bemerkbar, wenn der auf den rotierenden Spiegel fallende Sendestrahl kein rotationssymmetrisches Strahlprofil hat, beispielsweise linienförmig ist. Dieser linienförmige Lichtfleck fällt dann bei den verschiedenen Winkelstellungen in entsprechend wechselnder Orientierung auf den rotierenden Spiegel. Ein bei einem Scanwinkel von 0° senkrecht zu der Überwachungsebene orientierter Lichtfleck fällt bei einem Scanwinkel von 90° quer auf den Drehspiegel und bildet somit in der Überwachungsebene eine horizontale Linie. Über den gesamten Winkelbereich von 360° rotiert somit der Lichtfleck in gleichem Maße wie der Spiegel. Aufgrund des in manchen Winkelrichtungen in der Scanebene liegenden Lichtflecks kann es zu einem Übersprechen zwischen benachbarten Abtastrichtungen kommen, so dass sich die geometrische Auflösung reduziert.
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Ein Kantenemitter erzeugt bereits in sich einen Spot mit einer gewissen Längserstreckung, wenn die Emitterfläche abgebildet wird. Die Dimensionen dieser Längserstreckung liegen aber weit unterhalb der Pupillengröße, so dass dennoch die gesamte Energie in das Auge trifft und somit durch diese Längserstreckung in Bezug auf Augensicherheit nichts gewonnen ist.
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Vor diesem Hintergrund ist Aufgabe der Erfindung, die Detektionsempfindlichkeit eines gattungsgemäßen Sensors trotz fortschreitender Miniaturisierung zu erhalten.
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Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor, insbesondere einen Laserscanner, und ein Verfahren zur Erfassung von Objekten in einer Überwachungsebene nach Anspruch 1 beziehungsweise 12 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, das Sendelicht schon bei Austritt aus dem Sensor so zu spreizen, dass nur ein Bruchteil in die Pupille einer Person eintreten kann. Dann kann die Sendeleistung entsprechend erhöht werden, ohne Grenzwerte einer vorgeschriebenen Laserschutzklasse wie 1 M zu überschreiten. Die Aufweitung des Sendelichts erfolgt mit einem optischen Element, bei dem es sich um einen Strahlteiler zur Erzeugung von parallelversetzten Teilstrahlen oder um eine anamorphotische Sendeoptik zur Erzeugung eines in einer Vorzugsrichtung aufgeweiteten Sendestrahls handelt. Beide Alternativen sorgen für eine Verteilung der Sendeenergie auf einer Aufweitungsachse, wobei der Strahlteiler den Sendestrahl diskret und die anamorphotische Sendeoptik den Sendestrahl kontinuierlich aufweitet. Prinzipiell ist denkbar, den Sendestrahl in beiden Achsen aufzuweiten. Das ist aber nicht die bevorzugte Lösung, weil dadurch die geometrische Auflösung des Sensor beeinträchtigt wird.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass die für das Auge wirksame Laserexposition um Faktoren verringert wird. Dabei wird zugleich weder die Detektionsempfindlichkeit noch die geometrische Auflösung des Sensors wesentlich beeinträchtigt. Bei Einhaltung einer vorgegebenen Laserschutzklasse kann somit die Sendeenergie erheblich erhöht werden und damit insbesondere eine kleinere Empfängerapertur aufgrund geringerer Baugröße des Sensors kompensiert werden.
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Der Lichtsender umfasst bevorzugt eine Laserlichtquelle, die als Kantenemitter ausgebildet ist. Dadurch steht bereits aus einer Lichtquelle genügend Sendeenergie zur Verfügung. Das erfindungsgemäß vorgesehene optische Element sorgt dafür, dass trotz der hohen Sendeleistung die Laserschutzklassen eingehalten werden. So wird auch ein Multispotsender, also ein Lichtsender mit mehreren Teilstrahlen, ohne die Verwendung von VCSELs wirtschaftlich.
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Die parallelversetzten Lichtstrahlen liegen bevorzugt in derselben Ebene und sind zueinander um 7 mm beabstandet. Die Durchstoßpunkte der Teilstrahlen in einer orthogonalen Ebene bilden somit eine Linie und sind zueinander um 7 mm beabstandet. Dies stellt sicher, dass immer nur ein Teilstrahl in das Auge einer Person eindringen kann. Ein Abstand von 7 mm muss dabei nicht exakt eingehalten werden. Eine Abweichung nach unten würde dazu führen, dass unter Umständen auch mehrere Teilstrahlen durch die Pupille treten können und damit möglicherweise die Augensicherheit beeinträchtigen. Eine Abweichung nach oben führt zu einer unnötigen Verbreiterung des Abtaststrahls. Insofern sind 7 mm ein Optimum, das aber nicht eingehalten werden muss, wenn die soeben genannten Kriterien nicht den Ausschlag geben.
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Die gemeinsame Ebene der parallelversetzten. Lichtstrahlen steht noch bevorzugter senkrecht zu der Überwachungsebene. Eine Aufweitung senkrecht zur Überwachungsebene beeinträchtigt die geometrische Auflösung nicht. Nach Norm IEC 61496-3 sind vertikale Zylinder als Tastgut zu betrachten. Wegen der einleitend beschriebenen Spotrotation müssen geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um die Orientierung des gemeinsamen Strahlprofils zur Überwachungsebene unabhängig von der Winkelstellung der Ablenkeinheit zu machen.
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Das Strahlteilerelement umfasst bevorzugt ein Prisma oder ein Spiegelprisma. Dadurch können mit einfachen optischen Elementen die erforderlichen Teilstrahlen erzeugt werden. Der Einsatz mehrerer neben- oder hintereinander angeordneter Prismen oder Spiegelprismen ist denkbar, beispielsweise um den Sendestrahl in mehr als zwei Teilstrahlen aufzuteilen.
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Alternativ kann als Strahlteilerelement auch ein gestufter Umlenkspiegel verwendet werden, also ein Umlenkspiegel, der als Stufe ausgebildet ist, insbesondere ein 45°-Umlenkspiegel. Durch die Dimensionierung der Stufe kann dabei der Strahlabstand eingestellt werden und durch zusätzliche Stufen auch eine Teilung in mehr als zwei Teilstrahlen erfolgen. Damit ist ein besonders einfach aufgebautes Strahlteilerelement praktisch ohne Abbildungsfehler oder Energieverluste gefunden.
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Die anamorphotische Sendeoptik umfasst bevorzugt mindestens eine Zylinderlinse, insbesondere ein Zylinderlinsenteleskop. So lässt sich eine Strahlaufweitung in nur einer Achse erzielen. Die geometrische Auflösung wird dann nicht beeinträchtigt. Die anamorphotische Sendeoptik kann alternativ auch Prismen oder diffraktive Elemente umfassen.
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Die anamorphotische Sendeoptik ist bevorzugt so ausgerichtet, dass die Aufweitungsrichtung senkrecht zu der Überwachungsebene steht. Wie schon bei entsprechender Anordnung der Teilstrahlen in der alternativen Lösung mit einem Strahlteiler erläutert, bleibt so die geometrische Auflösung trotz größeren Strahlprofils erhalten.
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Das optische Element ist bevorzugt im Strahlengang des ausgesandten Lichtstrahls vor der Ablenkeinheit und gegenüber der Ablenkeinheit ruhend angeordnet. Dies ist konstruktiv sehr einfach umzusetzen. Allerdings führt dies ohne ergänzende Zusatzmaßnahmen zu einer Spotrotation. Deshalb ist es vorteilhaft, nur zwei Teilstrahlen beziehungsweise keine zu starke Aufweitung zu erzeugen, um den Einfluss auf die geometrische Auflösung zu begrenzen.
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Alternativ ist das optische Element im Strahlengang des ausgesandten Lichtstrahls hinter der Ablenkeinheit und mit der Ablenkeinheit mitbewegt angeordnet. Dazu wird das optische Element besonders bevorzugt auf der Ablenkeinheit oder mit der Ablenkeinheit starr verbunden montiert. Indem das optische Element mitbewegt montiert wird, kann die Spotrotation verhindert werden. Dadurch können nahezu beliebig viele Teilstrahlen beziehungsweise eine beliebige Aufweitung verwendet werden, ohne die geometrische Auflösung zu beeinflussen.
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Der Sensor ist bevorzugt als Entfernungsmesser ausgebildet, indem in der Auswertungseinheit die Lichtlaufzeit zwischen Aussenden und Empfang des Lichtstrahls und daraus die Entfernung eines Objekts bestimmbar ist. Zusätzlich wird vorteilhafterweise auch der Winkel einer jeden Abtastung bestimmt, so dass Objekte mit ihren vollständigen 2D-Polarkoordinaten in der Überwachungsebene erfasst werden. Die Bestimmung der Lichtlaufzeit erfolgt besonders bevorzugt, indem je zu bestimmender Entfernung eine Vielzahl von Sendelichtpulsen ausgesandt und statistisch ausgewertet wird. Ein solches Pulsmittelungsverfahren führt wegen der großen Pulszahl zu einer besonders hohen Laserexposition im Vergleich zu einem Einzelpulsverfahren bei vergleichbarem Signal-Rausch-Verhältnis. Dieser Nachteil wird durch das optische Element behoben. Ein Pulsmittelungsverfahren wirkt sich positiv auf die Baugröße aus, da auf eine Hochspannungsversorgung der Laserdioden verzichtet werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung sorgt dafür, dass dieser und weitere Vorteile des Pulsmittelungsverfahrens mit Augenschutzbedingungen verträglich wird.
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Der Sensor ist bevorzugt als Sicherheitsscanner mit einem Sicherheitsausgang ausgebildet, indem in der Auswertungseinheit bestimmbar ist, ob sich ein Objekt in einem Schutzfeld innerhalb der Überwachungsebene befindet, und daraufhin ein sicherheitsgerichtetes Abschaltsignal über den Sicherheitsausgang ausgebbar ist. In sicherheitstechnischer Anwendung muss eine Laserschutzklasse eingehalten werden, beispielsweise Laserschutzklasse 1 M bei einem Gerät nach IEC 61496-3. Das erfindungsgemäß eingesetzte optische Element sorgt dafür, dass die geforderten Augenschutzbedingungen gegeben sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit ruhender Strahlteilung beziehungsweise Strahlaufweitung vor der Ablenkeinheit;
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2 eine schematische Darstellung des Strahlverlaufs an einem Prisma zur Strahlteilung;
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3 eine schematische Darstellung des Strahlprofils bei Austritt aus dem Sensor und in Maximalreichweite des Sensors;
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4 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer mit der Ablenkeinheit mitbewegten Strahlteilung beziehungsweise Strahlaufweitung;
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5 eine schematische Darstellung des Strahlverlaufs an einem Spiegelprisma zur Strahlteilung;
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6 eine schematische Darstellung des Strahlverlaufs an einem gestuften 45°-Umlenkspiegel zur Strahlteilung; und
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7a–b eine schematische Darstellung des Strahlverlaufs an einem Zylinderlinsenteleskop zur Strahlaufweitung in einer Querschnittsansicht in Aufweitungsrichtung und senkrecht hierzu.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen als Laserscanner 10 ausgebildeten erfindungsgemäßen Sensor. Ein Lichtsender 12 mit einer Laserlichtquelle, insbesondere einem Kantenemitter, erzeugt mit Hilfe einer Kollimationslinse 14 einen Sendelichtstrahl 16. In einem Strahlteilerelement 18 wird der Sendestrahl 16 in zwei parallelversetzte Teilstrahlen 16a–b geteilt, wie weiter unten anhand der 2 und 3 näher erläutert. Über eine ruhende erste Ablenkeinheit 20 und eine bewegte zweite Ablenkeinheit 22 wird der Sendelichtstrahl 16 in einen Überwachungsbereich 24 umgelenkt. In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist das Strahlteilerelement 18 im Sendestrahlengang zwischen der ersten Ablenkeinheit 20 und der zweiten Ablenkeinheit 22 angeordnet.
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Fällt der Sendelichtstrahl 16 in dem Überwachungsbereich 24 auf ein Objekt, so gelangt remittiertes Licht 26 wieder zu dem Laserscanner 10 zurück und wird dort über die zweite Ablenkeinheit 22 und mittels einer Empfangsoptik 28 von einem Lichtempfänger 30 detektiert, beispielsweise einer Photodiode.
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Die zweite Ablenkeinheit 22 ist in der Regel als Drehspiegel ausgestaltet, der durch Antrieb eines Motors 32 kontinuierlich rotiert. Die jeweilige Winkelstellung der Ablenkeinheit 22 wird über einen Encoder erkannt, der beispielsweise eine Codescheibe 34 und eine Gabellichtschranke 36 umfasst. Der von dem Lichtsender 12 erzeugte Sendelichtstrahl 16 überstreicht somit den durch die Rotationsbewegung erzeugten Überwachungsbereich 24, der auch als Scanebene bezeichnet wird. Wenn von dem Lichtempfänger 30 ein remittiertes Lichtsignal 26 aus dem Überwachungsbereich 24 empfangen wird, so kann aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit 22 mittels des Encoders 34, 36 auf die Winkellage des Objektes in dem Überwachungsbereich 24 geschlossen werden. Zusätzlich wird die Lichtlaufzeit von ihrem Aussenden bis zu dem Empfang nach Reflexion an dem Objekt in dem Überwachungsbereich 24 ermittelt. Dies erfolgt nach einem der einleitend beschriebenen Verfahren, insbesondere nach einem Pulsmittelungsverfahren. Aus der Lichtlaufzeit wird unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit auf die Entfernung des Objektes von dem Laserscanner 10 geschlossen.
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Diese Auswertung erfolgt in einer Auswerteeinheit 38, die dafür mit dem Lichtsender 12, dem Lichtempfänger 30, dem Motor 32 und dem Encoder 36 verbunden ist. Somit stehen über den Winkel und die Entfernung zweidimensionale Polarkoordinaten aller Objekte in dem Überwachungsbereich 24 zur Verfügung. In sicherheitstechnischer Anwendung prüft die Auswertungseinheit 38, ob ein unzulässiges Objekt in einen innerhalb des Überwachungsbereichs 24 festgelegten Schutzbereich eingreift. Ist das der Fall, wird über einen Sicherheitsausgang 40 (OSSD, Output Signal Switching Device) ein Absicherungssignal an eine überwachte Gefahrenquelle, beispielsweise eine Maschine ausgegeben. Der Laserscanner 10 ist in derartigen sicherheitstechnischen Anwendungen durch Maßnahmen entsprechend der einleitend genannten Normen ein sicherer Laserscanner. Alle genannten Funktionskomponenten sind in einem Gehäuse 42 angeordnet, das frontseitig, also im Bereich des Lichtaus- und Lichteintritts, eine Frontscheibe 44 aufweist.
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2 zeigt den Strahlengang des Sendelichtstrahls 16 vor der ersten Ablenkeinheit 20 in einer Teildarstellung der 1. Aufgabe des Strahlteilerelements 18 ist dazu beizutragen, dass der Laserscanner 10 die Grenzwerte einer Laserschutzklasse einhält. Die Lasereinwirkung auf das Auge wird wesentlich dadurch bestimmt, wie gut der Sendelichtstrahl 16 kollimiert ist. Die Wertung folgt beispielsweise anhand des Anteils der Laserleistung, die im schlechtesten Fall durch eine Lochblende mit 7 mm Durchmesser entsprechend der Pupille eines Betrachters hindurchtritt.
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Damit eine erhöhte Sendeleistung dem Auge nicht schaden kann, wird erfindungsgemäß der Laserstrahl homogen oder inhomogen aufgeweitet, so dass nahe an der Frontscheibe 44 der Sendelichtstrahl 16 im Querschnitt über eine Länge größer als 7 mm verteilt wird. Bei der maximalen Reichweite des Laserscanners 10, beispielsweise in 4 m oder 7 m Entfernung, soll zumindest in Winkelrichtung die Ausdehnung des Laserspots allenfalls geringfügig zunehmen, um die geometrische Auflösung nicht zu beeinträchtigen.
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Das Strahlteilerelement 18 ist eine Möglichkeit, diese Ziele zu erreichen. Der kollimierte Sendestrahl 16 trifft auf das Strahlteilerelement 18, welches aus dem einzelnen Eingangsstrahl 16 zwei zueinander um etwa 7 mm parallelversetzte Ausgangsstrahlen 16a–b erzeugt. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist das Strahlteilerelement 18 beispielhaft als Prisma ausgebildet. Alternative Ausgestaltungen des Strahlteilerelements 18 werden weiter unten insbesondere im Zusammenhang mit den 5 und 6 erläutert. Der Eingangsstrahl 16 trifft zur Hälfte auf das Prisma 18, welches für diese Strahlquerschnittshälfte einen Parallelversatz von 7 mm verursacht. Die andere Hälfte des Eingangsstrahls 16 passiert das Prisma 18 ohne Änderungen des Strahlweges.
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3 zeigt den Strahlquerschnitt der beiden zueinander um 7 mm parallelversetzten Teilstrahlen 16a–b des inhomogen aufgeweiteten Sendelichtstrahls 16. Direkt hinter der Frontscheibe 44, wie links in 3 dargestellt, bilden die beiden Teilstrahlen 16a–b kleine, voneinander separierte Lichtflecken, von denen aufgrund des Parallelversatzes höchstens ein Lichtfleck in das Auge einer Person eindringen kann. In einer maximalen Reichweite des Laserscanners 10 von beispielsweise 4 m, wie rechts in 3 dargestellt, beträgt der Parallelversatz weiterhin 7 mm, ist aber nun vernachlässigbar gegenüber einem typischen Lichtfleckdurchmesser von 30 mm. Somit wird die geometrische Auflösung des Laserscanners 10 durch den Parallelversatz kaum beeinträchtigt. Augenschutz spielt in der maximalen Reichweite wegen der größeren Lichtflecken kaum noch eine Rolle, besonders kritisch ist der Bereich nahe der Frontscheibe 44.
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Wenn das Strahlteilerelement 18 wie in der Ausführungsform gemäß. 1 stationär, also nicht mit der zweiten Ablenkeinheit 22 mitbewegt angeordnet wird, dann rotieren die beiden Teilstrahlen 16a–b während des Scannens aufgrund der einleitend erläuterten Spotrotation um ihren gemeinsamen Schwerpunkt. Dies kann nachteilig für die geometrische Auflösung sein. Ein vergrößerter Strahlquerschnitt des Sendelichtstrahls 16 senkrecht zu der Überwachungsebene 24 des Laserscanners 10 ist unkritisch und beeinträchtigt weder die geometrische Auflösung in Scanrichtung noch die Sicherheitsfunktion, da gemäß der Norm IEC 61496-3 vertikal ausgerichtete Zylinder als Tastgut betrachtet werden. Wegen der Spotrotation ändert sich aber die Ausrichtung des vergrößerten Strahlquerschnitts mit dem Scanwinkel. Bei stationärer Anordnung des Strahlteilerelements 18 sollte deshalb entweder die Vergrößerung des Strahlquerschnitts geringfügig bleiben, oder man muss die verringerte geometrische Auflösung in Kauf nehmen.
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4 zeigt eine alternative Ausführungsform des Laserscanners 10, bei dem es nicht zu den nachteiligen Effekten der Spotrotation kommt. Wie in allen anderen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen oder einander entsprechenden Merkmale. Der Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 besteht in der Anordnung des Strahlteilerelements 18, welches nun mit der zweiten Ablenkeinheit 22 mitbewegt montiert ist. Dazu wird das Strahlteilerelement 18 direkt auf der zweiten Ablenkeinheit 22 oder mit der zweiten Ablenkeinheit 22 starr verbunden angeordnet. Abweichend von der Darstellung kann das Strahlteilerelement 18 auch im Strahlengang vor der zweiten Ablenkeinheit 22, also in 4 oberhalb der zweiten Ablenkeinheit 22 montiert sein, oder ohne Verbindung mit der Ablenkeinheit 22 in eine entsprechende Mitbewegung versetzt werden.
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Aufgrund der Mitbewegung des Strahlteilerelements 18 mit der zweiten Ablenkeinheit 22 behalten die beiden Teilstrahlen 16a–b während des Scannens ihre relative Lage zueinander. Es ist deshalb möglich, deren Parallelversatz senkrecht zu der Überwachungsebene 24 zu wählen, und diese Orientierung bleibt über alle Winkelrichtungen erhalten. Der nachteilige Effekt der Spotrotation auf die geometrische Auflösung des Laserscanners 10 kann auf diese Weise ausgeschaltet werden.
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Bei Manipulation des Sendelichtstrahls 16 durch ein mitbewegtes Strahlteilerelement 18 können auch mehr als zwei Teilstrahlen 16a–b gebildet werden, die vorzugsweise untereinander einen gleichmäßigen Parallelversatz insbesondere von 7 mm aufweisen. Dies kann beispielsweise durch weitere Prismen, die neben oder hinter dem Prisma gemäß 2 angeordnet sind, oder durch andere optische Elemente wie diffraktive optische Elemente geschehen. Die auf das Auge maximal einwirkende Laserexposition vermindert sich so um einen Faktor, der gleich der Anzahl der Teilstrahlen 16a–b ist. In maximaler Reichweite des Laserscanners 10 wird so eine Kette von Lichtflecken erzeugt, die jeweils 7 mm Abstand zueinander haben.
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Bei vier Teilstrahlen 16a–b etwa würde diese Kette ungefähr die doppelte Ausdehnung in Längsrichtung aufweisen wie der ursprüngliche einzelne Sendelichtstrahl 16. Da aber die Kette oder Linienanordnung senkrecht zu der Überwachungsebene 24 orientiert werden kann und nicht mitrotiert, hat die größere Ausdehnung des gesamten Strahlquerschnitts keine negative Auswirkung auf die geometrische Auflösung und die Sicherheitsfunktion. Selbstverständlich ist auch bei der Ausführungsform gemäß 1 denkbar, mehr als zwei Teilstrahlen 16a–b zu erzeugen, sofern die Beeinträchtigung der geometrischen Auflösung hinnehmbar bleibt.
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Die Manipulation des Sendelichtstrahls 16 wurde in den bisherigen Ausführungsformen an dem Beispiel eines Prismas als Strahlteilerelement 18 beschrieben. Es sind aber sowohl andere optische Elemente denkbar, die als Strahlteilerelement 18 dienen, als auch eine homogene Strahlaufweitung anstelle einer inhomogenen Strahlaufweitung beziehungsweise Strahlteilung.
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5 zeigt in einer Darstellung analog der 2 eine alternative Ausgestaltung des Strahlteilerelements 18 als Spiegelprisma.
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6 zeigt in einer Darstellung analog der 2 eine alternative Ausgestaltung des Strahlteilerelements 18 als gestufter Umlenkspiegel. Der Umlenkspiegel 18 hat insbesondere eine Neigung von 45°, um den Sendelichtstrahl 16 senkrecht umzulenken. An einer Stufe wird ein Teil des Sendelichtstrahls 16 früher abgelenkt als der übrige Sendelichtstrahl 16, so dass zwei Teilstrahlen mit einem gegenseitigen Versatz entstehen, der durch die Geometrie der Stufe gegeben ist. Denkbar ist, weitere Stufen vorzusehen, um mehr als zwei Teilstrahlen zu erzeugen, oder einen anderen Neigungswinkel zu wählen. Besonders bevorzugt kann die erste Ablenkeinheit 20 als ein solcher gestufter Umlenkspiegel ausgebildet sein. Dann bedarf es keines zusätzlichen Strahlteilerelements 18, sondern die erste Ablenkeinheit 20 leistet die Strahlteilung in einer Doppelfunktion. Das entspricht dann der Ausführungsform gemäß 1, bei der das ruhende Prisma 18 durch Stufung der ersten Ablenkeinheit 20 ersetzt ist. Alternativ kann die zweite Ablenkeinheit 22 gestuft ausgebildet sein. Das entspricht ganz analog der Ausführungsform gemäß 4, bei der das mitdrehende Prisma 18 durch Stufung der zweiten Ablenkeinheit 22 ersetzt ist. Weitere Alternativen sind Anordnungen mehrerer Spiegel, auch teiltransparenter Spiegel, oder diffraktive optische Elemente.
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Die 7a–b zeigen eine mögliche Ausgestaltung für eine homogene Strahlaufweitung, wobei 7a ein Schnitt in Aufweitungsrichtung und 7b ein Schnitt senkrecht hierzu ist. Wie 7a zeigt, sorgen zwei Zylinderlinsen 46a–b dafür, dass der Sendelichtstrahl 16 in einer Richtung aufgeweitet, dann aber wieder parallelisiert wird. In der Richtung senkrecht hierzu, wie in 7b gezeigt, haben die Zylinderlinsen 46a–b keine strahlformende Wirkung. Der Sendelichtstrahl 16 erhält somit durch die Zylinderlinsen 46a–b, die eine anamorphotische Sendeoptik bilden, einen in einer Richtung längsgestreckten Strahlquerschnitt. Die effektive Wirkung ist ähnlich einem Parallelversatz von Teilstrahlen 16a–b. Es ist einerseits unmöglich, dass mehr als ein Ausschnitt von 7 mm dieser Längserstreckung ins Auge eindringt, so dass die erforderliche Laserschutzklasse eingehalten wird. Andererseits kann die Orientierung der Längserstreckung senkrecht zu der Überwachungsebene 24 gewählt werden, um die geometrische Auflösung zu erhalten.
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Eine homogene, nur in einer Vorzugsrichtung wirkende Strahlaufweitung kann nicht nur über ein Zylinderlinsenteleskop, sondern auch über andere Anordnungen von Linsen, Prismen oder diffraktiven optischen Elementen erfolgen. Prinzipiell denkbar ist auch eine Aufweitung in zwei oder mehreren Richtungen senkrecht zur Sendestrahlrichtung. Dies würde aber die geometrische Auflösung selbst bei einem mitrotierenden optischen Element negativ beeinflussen.
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Obwohl die Ausführungsformen mit inhomogener Strahlaufweitung durch ein Strahlteilerelement 18 anhand der 1 bis 6 und mit homogener Strahlaufweitung durch eine Zylinderlinsenkombination 46a–b anhand der 7 getrennt beschrieben wurden, sind die Merkmale doch auch übertragbar. Insbesondere kann auch die Zylinderlinsenkombination 46a–b an verschiedenen Positionen im Strahlengang des Sendelichtstrahls 16 angeordnet werden und gegenüber der zweiten Ablenkeinheit 22 ruhen oder mit dieser mitbewegt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4340756 A1 [0003]
- EP 10160720 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm EN 13849 [0004]
- IEC 61496-3 [0004]
- IEC 61496-3 [0007]
- Norm IEC 61496-3 [0017]
- IEC 61496-3 [0025]
- Norm IEC 61496-3 [0043]
